Нещо ново: Ядрено-магнитният резонанс разкрива тайните на стареенето на батериите

Изследователи разработиха нов метод за оценка на дългосрочното стареене на реални акумулаторни клетки.

Изследването всъщност е ядрено-магнитен резонанс на акумулаторните клетки на батериите, като предоставя данни за химичните промени в лития по време на неговото зареждане, разреждане, престой и стареене.

Подходът на екипа от Националната лаборатория Аргон на Министерството на енергетиката на САЩ (ANL) се основава на ядрено-магнитния резонанс (ЯМР) – техника, която често се използва в медицината.

ЯМР спектроскопията е неинвазивна техника, която използва магнитните свойства на атомните ядра за анализ на химическата среда, осигурявайки богата информация за атомните структури и реакциите в материалите на батериите.

Според изследователите това е първото приложение на ЯМР спектроскопията, способно прецизно да следи химичните промени в комерсиалните батерии за продължителен период на експлоатация.

„Прилагането на ЯМР при батериите досега бе много ограничено. Но с нашата иновация се надявам, че тя ще се превърне в „хляба и маслото“ за изследователите и производителите, които искат да изследват дългосрочната еволюция на своите батерии, без да ги отварят“, заяви в изявление Барис Кей, химик от ANL и един от авторите на изследването.

Проследяване на промените в лития

За да превърнат съхранената енергия в електрическа, в съвременните литиево-йонни батерии електролитите пренасят литиеви йони между двата електрода. Анодите, или отрицателните електроди, на повечето литиево-йонни батерии, използвани в електромобилите, са направени от графит. За по-дълъг пробег обаче са необходими нови материали за електроди с по-висока енергийна плътност, като например силиций.

Необходимо е да се решат редица технически въпроси, преди силицият да започне да се използва пълноценно в анодите. Литиевите йони се свързват със силиция по време на процеса на зареждане на силициево-анодна акумулаторна клетка, като създават вещества, наречени литиеви силициди.

Според изследователите това води до увеличаване обема на анода с до 400%. Литият напуска анода, когато клетката се разрежда, което води до неговото свиване.

Силициевият анод може да се напука вследствие на разширяването и свиването. Литиевите силициди също така са изключително реактивни, което прави взаимодействието им с електролита на клетката значително по-малко стабилно.

Техниката на ЯМР спектроскопията е създадена и използвана в проучването на ANL за проследяване на състоянието на литиевите атоми в силициево-анодните клетки по време на процесите на зареждане и разреждане, последвани от седеммесечен период на престой. Тя е сравнима с ядрено-магнитния резонанс (ЯМР), който се използва в медицината за получаване на фини изображения на тялото.

Изследването на екипа наподобява извършването на ЯМР на батерийни клетки по време на тяхната активна работа, но вместо изображения предоставя данни за промените в химическата среда на лития по време на зареждането, разреждането, престоя и стареенето.

„Тази информация ни даде възможност да определим къде отиват литиевите атоми, как взаимодействат с другите атоми, колко литиеви атоми участват в тези взаимодействия и дали има някаква свързана с тях деградация. Нашата цел беше да разберем защо силициевите аноди се разграждат с течение на времето“, казва в изявление Евелина Уанг, постдокторант в ANL и главен автор на изследването.